GPS在管線測(cè)量三維控制網(wǎng)建立中的應(yīng)用與分析研究

張金福

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊(duì)，江蘇南京 210000）

0 引言

我國(guó)應(yīng)用GPS 技術(shù)已經(jīng)近20 年了，基本已經(jīng)運(yùn)用至一個(gè)較為成熟的階段。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，測(cè)量度提高，傳統(tǒng)的測(cè)量方法也不再滿(mǎn)足于管線的應(yīng)用和發(fā)展，所以GPS 憑借自身的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，被大量運(yùn)用于這項(xiàng)工程的管線測(cè)量中。

1 GPS

1.1 概述

1958 年，GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)只是美國(guó)軍方研究的一個(gè)項(xiàng)目，到了1964 年才開(kāi)始投入使用。最開(kāi)始GPS 全球定位系統(tǒng)是為海陸空這3 大領(lǐng)域提供導(dǎo)航服務(wù)的，主要用于軍事。經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展和研究，1994 年完成了達(dá)到GPS 全球覆蓋率98%的衛(wèi)星布設(shè)。目前GPS 在生活中主要用于車(chē)輛定位、防盜、反劫、行駛路線監(jiān)控和導(dǎo)航等。

1.2 特點(diǎn)

GPS 全球定位系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：高精準(zhǔn)度、全天候、多功能、高效率、操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用廣泛等。

（1）高精準(zhǔn)度。高精準(zhǔn)度主要體現(xiàn)在定位精度高。經(jīng)過(guò)GPS在生活中反復(fù)應(yīng)用證明，它的相對(duì)定位精準(zhǔn)度在50km 以?xún)?nèi)可以達(dá)到10～6m，1000km 可以達(dá)到10～9m。（2）全天候。GPS 全球定位系統(tǒng)靠發(fā)射的衛(wèi)星來(lái)定位，不受氣候的影響，所以不管是下雨還是下雪，GPS 全球定位系統(tǒng)都能使用。所以，目前GPS全球定位系統(tǒng)可以1 天24 小時(shí)不間斷使用。（3）多功能。GPS系統(tǒng)不光能夠用來(lái)確認(rèn)位置，還能夠用于測(cè)速、測(cè)時(shí)、導(dǎo)航等。隨著科學(xué)的發(fā)展，許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)GPS 深入研究，使GPS 應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)張。（4）高效率。以GPS 導(dǎo)航功能為例，GPS 全球定位系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用中更加方便了人們的生活。當(dāng)人們出行時(shí)，遇到不熟悉的路，GPS 能快速的幫助，只要輸入目的地，便能指引走到目的地，效率非常高。（5）操作簡(jiǎn)便。因?yàn)榭萍嫉牟粩喟l(fā)展，GPS 接收機(jī)也不斷完善，為了方便GPS 的運(yùn)用，GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度逐漸增高，甚至還出現(xiàn)了“一鍵操作”。

1.3 工作原理

GPS 全球定位系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)中位置的記錄，作為開(kāi)始計(jì)算的數(shù)據(jù)，然后再利用單幅影像解析中的空間距離后方交會(huì)法，確定要測(cè)量地點(diǎn)的位置。

2 GPS 在管線測(cè)量三維控制網(wǎng)建立中的具體應(yīng)用

GPS 應(yīng)用于管線工程起到的作用主要是測(cè)量作用，用到了GPS 的2 個(gè)功能：靜態(tài)功能和動(dòng)態(tài)功能。通過(guò)對(duì)衛(wèi)星發(fā)射出信息的接收，確定三維坐標(biāo)點(diǎn)，這就是靜態(tài)功能；通過(guò)衛(wèi)星系統(tǒng)把已知的三維坐標(biāo)實(shí)地放在地面上，這就是動(dòng)態(tài)功能。

2.1 建立三維控制網(wǎng)

（1）位置探測(cè)。以GPS 在某石化廠廠區(qū)吉安石化管線三維坐標(biāo)測(cè)量中的應(yīng)用為例，某石化廠的分廠之間是由各種管線相連接起來(lái)的，測(cè)量區(qū)域里面的管線極其復(fù)雜，因?yàn)楣芫€是用來(lái)傳送液體、氣體或粉末類(lèi)的固體，而化工廠的化學(xué)物質(zhì)一般都會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害，所在進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候就要尤其小心。石化廠建立管線GPS 系統(tǒng)就可以測(cè)量彎曲、轉(zhuǎn)角、高處的管線，石化廠的管線對(duì)管線測(cè)量的精準(zhǔn)度必須在10cm 內(nèi)，且不能出現(xiàn)任何的差錯(cuò)，因此，在控制網(wǎng)建立時(shí)，一定要按照管線的走向去測(cè)量，可是這樣測(cè)量會(huì)增加工作量，所以必須要采用控制網(wǎng)分級(jí)布網(wǎng)的方式進(jìn)行。這也就決定了GPS 四等作業(yè)時(shí)要求布設(shè)GPS 首控網(wǎng)，基于GPS 首控網(wǎng)上再實(shí)施二等控制網(wǎng)測(cè)量。最后，基于首控網(wǎng)和二等控制網(wǎng)布設(shè)四等附合導(dǎo)線、四等水準(zhǔn)加密控制網(wǎng)點(diǎn)，達(dá)到滿(mǎn)足三維石化管線測(cè)量的目的。在GPS 布網(wǎng)方案的選擇上，為了加強(qiáng)GPS 觀測(cè)網(wǎng)的精確度，應(yīng)該選用邊連式方案。（2）數(shù)據(jù)處理。在三維控制網(wǎng)的建立上，主要就是對(duì)GPS 提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這就要求數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，所以要求GPS 各項(xiàng)基線精準(zhǔn)度高。在確定其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確后，就要把GPS網(wǎng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成立體的坐標(biāo)系的坐標(biāo)，比如坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成城市坐標(biāo)系坐標(biāo)，就要選取3 個(gè)以上的控制點(diǎn)作為基本點(diǎn)，對(duì)基本點(diǎn)的可用性進(jìn)行分析和篩選。一般可以采用Bursa 轉(zhuǎn)換模型：XLi＝Xs＋（1＋K）R（Q1，Q2，Q3）XGi

2.2 GPS 在管線測(cè)量中的現(xiàn)狀

（1）優(yōu)點(diǎn)。GPS 在管線測(cè)量中的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越成熟，尤其是在建立三維控制網(wǎng)中運(yùn)用GPS 能夠使GPS 測(cè)量的優(yōu)越性得到充分的體現(xiàn)。具體表現(xiàn)在：①GPS 技術(shù)建立三維控制網(wǎng)更為簡(jiǎn)單。GPS 技術(shù)比普通的測(cè)量方法適應(yīng)性強(qiáng)，且建立的的控制網(wǎng)更為簡(jiǎn)單易懂，就算遠(yuǎn)離要測(cè)量點(diǎn)，也能夠通過(guò)GPS 技術(shù)連接測(cè)控。GPS 也解決了看不到點(diǎn)和位置之間的測(cè)量問(wèn)題，而且也解決了因?yàn)樘鞖庠驘o(wú)法進(jìn)行測(cè)量的問(wèn)題，使得在建立三維控制網(wǎng)上變得便捷。②精準(zhǔn)度高。GPS 本身就具有高精準(zhǔn)度的特點(diǎn)，把GPS 應(yīng)用于管線測(cè)量三維控制網(wǎng)的建立上，就使得三維控制網(wǎng)精準(zhǔn)高，不但滿(mǎn)足了測(cè)量的要求，而且還具備了很大的精度儲(chǔ)備空間。③為管線測(cè)量奠定基礎(chǔ)。用GPS 技術(shù)建立三維控制網(wǎng)能夠使圖形數(shù)據(jù)立體化呈現(xiàn)，在城市管線測(cè)量比較缺少已知控制點(diǎn)的情況下，能夠根據(jù)建立的三維控制網(wǎng)對(duì)實(shí)地情況進(jìn)行一個(gè)全面的解讀，然后為管線的測(cè)量打下良好的基礎(chǔ)。④提高管線測(cè)量的速度。使用GPS 有關(guān)技術(shù)進(jìn)行管線測(cè)量可以提高效率一倍以上，而且還能減少人力資源的投入，相比原始的測(cè)量法來(lái)說(shuō)，不光是提高了效率，還降低了投入成本。GPS觀測(cè)點(diǎn)只需要2 個(gè)相關(guān)的技術(shù)人員就可以了，不需要指揮大量的人進(jìn)行測(cè)量，有時(shí)候一個(gè)人可以完成。特別是在測(cè)量范圍大的時(shí)候，利用GPS 測(cè)量管線，才能快速且準(zhǔn)確的建立三維控制網(wǎng)，從而提高整個(gè)工程的施工效率。（2）不足。雖然GPS 技術(shù)目前在工程中已經(jīng)應(yīng)用較為成熟，但是仍然存在著不足之處。①受大氣影響計(jì)算出現(xiàn)小范圍誤差。GPS 是通過(guò)衛(wèi)星和接收器之間距離的計(jì)算來(lái)定位，固定的計(jì)算方式是：距離=速度×?xí)r間，但是從衛(wèi)星到接收器測(cè)量的距離來(lái)看，是需要一定時(shí)間的，而在時(shí)間確定后，電磁波在大氣層受到電離層和對(duì)流層的干擾，就會(huì)使信息在傳達(dá)的過(guò)程中受到一定的影響，在某些具體的區(qū)域，肯定會(huì)存在一些微小的誤差，而一些地方可能會(huì)因?yàn)闃?shù)木、房屋的阻擋，也使得測(cè)量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)一些誤差，到最后計(jì)算時(shí)，這些誤差也會(huì)計(jì)算入內(nèi)。②需要其他儀器輔助。在GPS 應(yīng)用于管線測(cè)量中時(shí)，還需要借助其他儀器的輔助，也就是說(shuō)，如果其他儀器出現(xiàn)了問(wèn)題，也可能會(huì)影響到GPS 測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。然而，GPS 測(cè)量的精準(zhǔn)性也離不開(kāi)常規(guī)儀器的配合。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)GPS 本身的特點(diǎn)進(jìn)行分析，了解在管線測(cè)量建立三維控制網(wǎng)中，GPS 起到了很大的作用，充分證明了GPS 的強(qiáng)大作用。但是，GPS 技術(shù)也還存在著一些不足之處，這些不足之處應(yīng)該隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展而得到完善，使以后的GPS技術(shù)更加成熟，且運(yùn)用更為廣泛。

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［3］鄭曉明，魏瑞娟.RTK 技術(shù)在管線測(cè)量中的誤差分析與成果監(jiān)理［J］.江西測(cè)繪，2007（S1）.